Wat is de Daniell-cel?

De Daniell-cel is een soort koper-zink-batterij die een poreuze barrière tussen de twee metalen gebruikt. Het werd uitgevonden in 1836 door de Britse chemicus John Frederic Daniell. Ooit veel gebruikt in de Europese telegraafindustrie, werd het in de late 19e eeuw vervangen door modernere batterijontwerpen. Tegenwoordig wordt het vooral in de klas gebruikt om aan te tonen hoe batterijen werken.

De Italiaanse wetenschapper Alessandro Volta vond de batterij in 1800 uit. Zijn ontwerp gebruikte een kolom van afwisselend zink- en koperen schijven, met met pekel verzadigde stukjes karton gestapeld tussen elk stuk metaal. Deze Voltaïsche paal werd gebruikt in veel elektrische experimenten, maar met minder dan een uur batterijduur had hij geen echte industriële toepassingen. Daniell heeft het ontwerp van Volta aangepast om een ​​batterij met een langere levensduur te maken, waardoor deze praktisch kan worden gebruikt.

Het principe achter de batterij van Daniell en die van Volta is hetzelfde. Een vloeibare opgeloste stof genaamd de elektrolyt - in Volta's ontwerp, de pekel tussen de metalen platen - begint het zink en het koper op te lossen in positief geladen ionen. Terwijl de ionen het metaal verlaten, blijven vrije elektronen achter. Het zink lost sneller op dan het koper, wat betekent dat het zink binnenkort meer elektronen bevat. Als je de twee stukken metaal met een draad verbindt, migreren de elektronen door de draad van het zink naar het koper, waardoor een elektrische stroom ontstaat.

Als het zink en koper in dezelfde elektrolyt oplossen, zoals in de Voltaïsche stapel, verkorten twee processen de levensduur van de batterij. Als het wordt opgeslagen zonder dat elektriciteit wordt onttrokken, worden de koperionen in de elektrolyt naar de negatief geladen zinkterminal getrokken. Deze ionen zullen dan koppelen met de elektronen in het zink, waardoor de lading ervan wordt geneutraliseerd. Uiteindelijk zal er geen zink meer beschikbaar zijn voor ontbinding. Dit proces staat bekend als reductie .

Het andere batterij-dodende proces vindt plaats wanneer elektriciteit wordt getrokken. De zinkionen zullen waterstof in de elektrolyt naar het koper duwen, waar de waterstof zich ophoopt op het oppervlak en uiteindelijk de stroom van elektriciteit stopt. Dit proces staat bekend als polarisatie . De Daniell-cel is ontworpen als reactie op de dubbele problemen van zinkreductie en polarisatie. Het lost deze problemen op door het zink en koper in afzonderlijke elektrolyten te isoleren.

Om een ​​Daniell-cel te maken, kan een ongeglazuurde aardewerken container worden gevuld met zwavelzuur en een stuk zink erin worden ondergedompeld. De houder kan vervolgens in een koperen bus worden geplaatst die is gevuld met kopersulfaat. De aardewerk barrière houdt het zink en koper aan weerszijden; dit voorkomt dat de zinkionen waterstof naar het koper sturen, waardoor polarisatie wordt voorkomen. Het houdt ook de koperionen weg van het zink, waardoor zinkreductie wordt voorkomen. Daniell noemde zijn cel de constante batterij vanwege het voorkomen van polarisatie.

De poriën in de barrière laten positief geladen sulfaationen toe om van de koperzijde naar de zinkzijde te reizen. Dit balanceert de stroom van elektronen van het zink naar het koper wanneer het circuit is voltooid. De hoeveelheid elektrisch potentiaal geproduceerd door een Daniell-cel werd de volt genoemd . De waarde van de moderne volt is iets anders; een Daniell-cel produceert ongeveer 1,1 van de huidige volt en heeft een interne weerstand van ongeveer 2 ohm.